一种新型线性位置感测器的研制

黄 健，黄嘉琦，陈南宇，张善文，吕林涛

(西京学院，陕西西安 710123)

0 引言

在工业生产和实验中，经常要用传感器检测物体的直线位移，感测技术为这种需求提供了极佳的解决方案。感测技术具有无接触、抗污染、成本低、易维修、抗干扰能力强等优点，而且由于是无接触的感应，不易磨损。特别适合于油污、潮湿、灰尘等恶劣环境。

到目前为止，这种技术是用复杂的模拟电路搭建而成，甚至用到了昂贵的稀土磁铁，成本较高、抗干扰能力差，而且不易携带、维修[1-4]。为降低成本，提高性能，本文采用最新的LDC1000数字式电感传感器，运用自制的不匀称的PCB线圈，产生LC振荡电路。当有金属物体沿着电感线圈做直线运动时，由于磁场作用，在金属物体的表面将形成电涡流，电涡流将会产生次级磁场，反作用于原来的磁场，引起LDC1000中的LC振荡电路的频率发生变化。LDC1000将会感知这个变化，将其转换为28位的数字量输出。由于自制的PCB线圈分布是不匀称的，当物体移动到不同的位置时，产生的频率变化是不同的，以此来感测物体的直线位移。

1 系统设计理论

1.1 LDC1000工作原理

LDC1000的基本工作原理基于电磁感应，如图1所示。当右边的线圈通交流电后，将会产生LC振荡，在它的附近将会产生磁场。当金属物靠近该磁场时，磁场产生的部分能量将会传递给金属物体，在金属物的表面形成电流，一般将其称为涡流。这些电流将会产生一个次级磁场，反作用于原来的磁场。使原磁场减弱。涡流的大小是距离、材质、大小的函数。图1中所示Ls和Rs是原线圈的电感和寄生串联电阻[5-8]。L(d)是与距离成函数关系的电感量，是目标金属物耦合给右边线圈的电感量，R(d)是与距离成函数关系的电阻量，是涡流给右边线圈产生的寄生电阻。

图1 互感模型

由于电感和电容都是储能元件，并不消耗能量，因此，能量都消耗在电阻上了。将图1右边所示电路进行等效变化，得到图2所示电路。

图2 电感传感器等效电路

在图2中Rp(d)通过式(1)计算。

(1)

式中:Ls和Rs为原来线圈的电感和电阻;Ld和Rd为产生的寄生电感和电阻。

1.2 自制电感线圈设计

自制电感线圈如图3所示。整个线圈长为100 mm，宽为15 mm，共22圈，在PCB制板时，用0.2 mm的细铜线制作而成，上下两层。整个线圈等间距分布，右边的线圈密度要大于左边。右边的磁场强度的要远大于左边的磁场强度，因此，感应磁场主要由右边的线圈决定。

图3 矩形电感线圈结构图

当金属物体在线圈上方移动时，如图4所示。

图4 金属物在线圈上方移动图

图4中金属物体的长度一定要能够完全覆盖线圈的宽度，选择为25 mm，金属物体的宽度不宜过宽，选择为14 mm。金属物体从线圈的最左边开始移动，直到最右边，相对于最左边的移动距离为dx，从线圈的左下角开始。金属物体从左向右移动时，磁场感应强度主要由右边的线圈决定，且磁场强度不断增强。

在制作PCB线圈时，要注意选择合适的电感量L，并配置合适的电容C，使得形成的LC振荡电路的振荡频率在500 kHz～10 MHz之间，这与线圈的匝数、粗细、材质都有关。另外，还要使得损耗电阻Rp的范围为1～128 kΩ。对其范围的设置通过LDC1000内部的两个寄存器RP_MIN和RP_MAX进行。

1.3 分辨率的计算

LDC1000能够将电感的变化转换为数字量的输出，当金属物体从dx=0向dx=100移动时，数字量的变化量用式(2)计算。

(2)

式中:ΔD为数字量的变化量;TR为采样周期;FCLK为LDC1000的时钟频率，设计中选择最高频率6 MHz;F0为dx=0 mm时线圈的共振频率;F100为dx=100 mm时线圈的共振频率。

2 硬件电路设计

2.1 系统设计框图

系统设计框图如图5所示，图中L代表自制电感线圈，测得线圈的电感量L后，配置上合适的电容C，就可形成LC振荡电路。振荡频率通过式(3)计算[6-10]。根据前面所述原理，在检测目标金属物时，由于电磁感应，不仅会产生寄生电感LS，而且会产生寄生电容CS，引起频率的变化，通过式(4)计算。LDC1000会将这个变化量转换为数字量，数字量通过式(5)计算，该数字量通过SPI接口传送给STM32F103ZET6进行处理。同时STM32还产生LDC1000需要的6 MHz的时钟信号。

(3)

(4)

(5)

图5 硬件系统设计框图

2.2 STM32F103ZET6

STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3的嵌入式芯片,是32位的微处理器，主频是72 MHz[10-13]。具有8个定时器，其中定时器TIM3经过12分频，产生LDC1000所需的6 MHz的时钟频率。STM32有3个硬件SPI接口，设计中选择SPI2连接LDC1000,如图6所示，为提高数据采集速度，采用硬件SPI接口与STM32相连，其中SCLK连接到PB13(SPI2_SCLK),SDI连接到PB15(SPI2_MOSI)，SDO连接到PB14(SPI2_MISO),CSB连接到PB12(SPI2_NSS)。PC9产生6 MHz的时钟，输入给LDC1000的CLK。GND要共地，VCC接3.3 V。

图6 STM32与LDC1000连接图

2.3 LDC1000

LDC1000是数字式电感传感器，适合作为电感感测传感器。可实现对金属物的线性位置、角位置、位移、运动、压缩、金属成分、振动等的高精度测量。适合应用于潮湿、油污、灰尘等恶劣环境。

3 测试

实验平台的搭建如图7所示，图中用电机带动丝杆做直线运动。在丝杆上方固定有矩形自制线圈，矩形线圈会随着丝杆做往复直线运动[14-15]。线圈的正上方悬挂有金属物体，金属物体固定不动。金属物体与矩形线圈之间的空气间隙用D表示。实验中D的距离可调。

图7 实验平台的搭建

图7中的金属物体选用铝块，长和宽分别为25 mm和14 mm。矩形电感相对于金属物体从左向右移动，取dx=0 ～100 mm，间隙D为1 、2、3 mm测得的数据曲线如图8所示。

图8 测试数据

对图8进行分析，当金属物体从dx=0 mm移动到dx=100 mm时，整个曲线可以分为3个阶段。

第一曲线段为0～20 mm,在这个阶段，金属物体进入感应线圈，距离从0～20 mm移动，但是这个阶段的电感量的变化并不明显。比如当金属物从dx=5.0 mm移动到dx=5.5 mm,间隙D=1 mm时，电感量的变化从94.547 μH变化到95.544 μH，变化量只有0.003 μH。

第二曲线段为20 ～90 mm,这个阶段，电感量变化明显，可准确得到金属物的移动距离。例如在空气间隙D=1 mm时，金属物从dx=50.0 mm移动到dx=50.5 mm时，电感量的变化从91.636 μH变化到91.565 μH，变化量是0.071 μH。平均电感量的变化率是0.142 μH/mm。

第三段曲线为90～100 mm，在这个阶段电感量突然增大，该段数据不可用。

整体而言，直线位移从dx=0～100 mm曲线段内，90～100 mm曲线段突然递增，很难处理，不予采用。0～20 mm曲线段内，因为电感量的变化率太小，不利于整个系统精度的提高，不予采用。剩下的从20～90 mm曲线段可用，变化率较明显，软件编程时可将其线性化，易于处理，而且精度较高。

因此，整个曲线段有70%的曲线可用。表1给出了从dx=0～90 mm电感率的变化。

表1 电感量的变化率

从表1可以看出，当dx为20～90 mm时，电感量的变化率明显，从0～20 mm时，不明显，而且距离越近，变化越明显，精度越高，处理越方便。根据式(2)和式(5)对其进行数字化处理，可使测量距离的精度达到0.03 mm。

4 结论

文中研究了新型数字电感传感器LDC1000的工作原理。采用密度不同的矩形电感线圈，可检测金属物体的直线位移。并搭建了实验平台，进行了数据采集和分析，得到了对应的曲线。最终确定了70%的曲线段是可用曲线，并对其进行了线性化。可准确测量金属物体的直线位移，精度达到了0.03 mm。可应用在潮湿、灰尘、油污等恶劣环境中，具有一定的实用价值。